Meeresspiegelanstieg Projektion vs Risikoanalyse Anders Levermann

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1 Meeresspiegelanstieg Projektion vs Risikoanalyse Anders Levermann Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung Physikalisches Institut der Universität Potsdam

2 Beiträge zum Meeresspiegel Antarktis Grönland Gletscher Ausdehnung der Meere

3 Der Meeresspiegel steigt immer schneller an.

4 Der Meeresspiegel steigt immer schneller an Mittlere Rate während der letzten 2000 Jahre war einige Zehntel mm yr Rate zwischen : 1.5 [1.3 to 1.7] mm yr -1. Wahrscheinlich Rate im 19. Jahrhundert beschleunigt Rate zwischen : 3.2 [2.8 to 3.6] mm yr -1. IPCC- AR5, 2013, Fig. 13.3e

5 Die Zusammensetzung der Beiträge könnte sich verändern

6 Beiträge der Vergangenheit Beiträge(mm/yr) Therm. Ausdehnung % % Gletscher % % Grönland?? % Antarktis?? % Wasser auf Land % % Summe % % Beobachtet Gesamt % % Bisher keine klare Veränderung nachweisbar. IPCC- AR5, 2013, Tab. 13.1

7 Ein Blick in die ferne Zukunft Zusammensetzung wird sich ändern 18% Ozeanische Ausdehung 52% Antarktis Sea-level (m) Antarktis Expansion Grönland Gletscher Levermann, et al. PNAS, IPCC- AR5, 2013, Fig Gesamt

8 Projektionen für die Zukunft

9 Projektionen bis 2100 Sehr wahrscheinlich: mittlere Rate 21. Jahrhundert größer als zwischen RCP m RCP m RCP m in 2100 Rate: 8-16 mm yr RCP 2.6 Rate: 3-6 mm yr m by 2100 IPCC- AR5, 2013 Fig

10 Zukünftige Beitragsverteilung im Vergleich Beiträge RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP8.5 Jahr 4000 Ausdehnung 40 % 34 % 35 % 40 % 40 % 44% 18 % Gletscher 34 % 27 % 25 % 26% 26 % 26% 5 % Grönland? 10 % 18 % 17 % 17 % 21 % 25 % Antarktis? 8 % 13 % 11 % 11 % 5 % 52 % Land 6 % 12 % 10% 9 % 9 % 6% - Gesamt 80% 101% 101% 103% 103% 102% 100% Irgendwann wecken wir die Antarktis auf. Aber wann? IPCC- AR5, 2013, Tab. 13.5

11 Obergrenze ist sinnvoller als wahrscheinlichster Wert IPCC AR5 SPM Seite 16: The basis for higher projections of global mean sea level rise in the 21st century has been considered and it has been concluded that there is currently insufficient evidence to evaluate the probability of specific levels above the likely range. Based on current understanding, only the collapse of marine-based sectors of the Antarctic Ice Sheet, if initiated, could cause global mean sea level to rise substantially above the likely range during the 21st century. However, there is medium confidence that this additional contribution would not exceed several tenths of a meter of sea level rise during the 21 st century. d.h. 1 m plus mehrere Dezimeter

12 Wärmeausdehnung der Meere CMIP-5 Klimamodelle Yin, GRL (2012). Obergrenze: < 0.4m

13 Gletscher Marzeion et al. TC (2012). Schätzungen des gesamten Eises in Gletschern 43 ± 6 cm (Huss & Farinotti, 2012) 35 ± 7 cm (Grinsted, 2013) 49 ± 3 cm (Marzeion et al., 2012) Obergrenze: < 0.3m

14 In 2100, SΜΒ CMIP5 ~ 850±450 GT/yr Grönland Oberflächenbilanz nach CMIP-5 Klimamodellen SMB anomaly (Gt/yr) Offensichtlich sind einige Modelle höher als die Standardabweichung Fettweis et al. TC (2013). Cumulated SLR (cm) In 2100, SLR ~ 9 ±4cm Obergrenze: < 0.2m

15 Grönland: Dynamik der Eisberge Price et al., PNAS, Obergrenze: 4.5 cm Eis das unter Meeresspiegel aufliegt: ~6-8 cm Meeresspiegeläquivalent. Winkelmann & Levermann, Clim. Dyn, Obergrenze: < 0.1m

16 Antarktis Eisbergdynamik Kombination verschiedener physikalischer Modell Socio-economic scenarios (RCP) Global mean temperature Antarctic subsurface ocean temperature Sea-level contribution 0 years 100 Ice-sheet response [7-16] m/a/k Observed basalmelt sensitivity

17 Die Vergangenheit vorhersagen: Global mean temperatures anomalies Scaled with time delay to ocean subsurface Multiplied with basal-melt sensitivity Convoluted with the ice response function

18 Die Zukunft vorhersagen: Obergrenze: < 0.5m

19 Schätzung einer Obergrenze für den Anstieg Addieren der höchsten Beiträge der prozessbasierten Modelle Meeresausdehnung < 0.4m CMIP-5: MIROC-ESM-CHEM: 0.43m Schewe et al. (2010) (EMIC) Gletscher < 0.3m Marzeion et al. (2012) Grönland Schmelzen < 0.2m Fettweis et al. (2013) Grönland Eisberge < 0.1m Total ice grounded below sea level Antarktis Schmelzen < 0.0m Huybrechts et al. (2012) Antarktis Eisberge < 0.5m Levermann et al. (2012) Gesamtanstieg < 1.5m AL2 Vergleich mit Pfeffer et al. (2008): Meeresausdehnung ~0.5m Gletscher ~0.5m Grönland ~0.5m Antarktis ~0.5m Gesamt 2.0m

20 Folie 19 AL2 check Anders Levermann;

21 Vielen Dank! Bisher Beobachteter Anstieg beschleunigt sich. Bis 2100 Wahrscheinlich 0.5-1m bei weiter steigenden Emissionen Emissionsminderung begrenzt Anstieg auf m Obergrenze für Küstenschütz 1.5m Bis dann Anstieg geht über Jahrhunderte weiter Die Temperatur bestimmt den Anstieg: 2.3 m pro Grad. Anders Levermann Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung Physikalisches Institut der Universität Potsdam

22 Zukünftige Beitragsverteilung im Vergleich Beiträge RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP8.5 Jahr 4000 Ausdehnung 34 % 35 % 40 % 40 % 44% 18 % Gletscher 27 % 25 % 26% 26 % 26% 5 % Grönland 10 % 18 % 17 % 17 % 21 % 25 % Antarktis 8 % 13 % 11 % 11 % 5 % 52 % Land 12 % 10% 9 % 9 % 6% - Gesamt 101 % 101% 103% 103% 102% 100 % Irgendwann wecken wir die Antarktis auf. Aber wann? IPCC- AR5, 2013, Tab. 13.5

23 Zukünftige Beitragsverteilung im Vergleich Beiträge RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP8.5 Jahr 4000 Ausdehnung 40 % 34 % 35 % 40 % 40 % 44% 18 % Gletscher 34 % 27 % 25 % 26% 26 % 26% 5 % Grönland? 10 % 18 % 17 % 17 % 21 % 25 % Antarktis? 8 % 13 % 11 % 11 % 5 % 52 % Land 6 % 12 % 10% 9 % 9 % 6% - Gesamt 80% 101% 101% 103% 103% 102% 100% Irgendwann wecken wir die Antarktis auf. Aber wann? IPCC- AR5, 2013, Tab. 13.5

24 Projektionen bis 2100 Sehr wahrscheinlich: mittlere Rate 21. Jahrhundert größer als zwischen RCP m RCP m SPM Fig 8 RCP m in 2100 Rate: 8-16 mm yr RCP m by 2100 IPCC- AR5, 2013, SPM Fig. 8.

25 Antarktis: Dynamik die Rolle von Instabilitäten Pollard & De Conto (2009): 7m of sea-level rise took typically a few thousand years, i.e m per century with potentially more initial ice volume. Hypothesis Under a rapid warming of up to 5K, the upper limit until 2100 will be set by the forced response not by the instability. Upper limit estimate: < 0.5m

26 Comparison of sea-level rates with 24mm/yr Thermal expansion < 9 mm/yr Glaciers < 5 mm/yr That leaves for Greenland and Antarctica 10 mm/yr The question is can Greenland and Antarctica loose ice in the equivalent of 10 mm in a year over a time span of say a decade? For further confusion semi-empirical model: Total rate of sea-level rise 3.4 mm/yr/k x 7K = 24 mm/yr (Rahmstorf, 2007)

27 Physikalische Beiträge der Vergangenheit Erste Hinweise auf Veränderung der Zusammensetzung Beiträge(mm/yr) Therm. Ausdehnung % % Gletscher % % Grönland?? % Antarktis?? % Summe ohne Land % % Beobachtet ohne Land % %

28 A bird s view on the upper limit using maximum sea-level rates Starting from 3mm/yr sea-level rate what is the sea-level rise that you can reach in 2100 with a smooth curve? Sea level (m) What is the maximum rate of sea-level rise per year that you have reached in the process? Levermann/Vaughan, in the thinking. 24 mm/yr

29 Comparison of sea-level rates with 24mm/yr Thermal expansion ~1.7 mm/yr/k x 5K = 8.5 mm/yr Schewe et al. ESD (2011).

30 Comparison of sea-level rates with 30mm/yr Glaciers: Maximum in projections < 4 mm/yr. If you lost everything in a century < 0.5 m/century = 5mm/yr. Marzeion et al. TC (2012).

31 Antarctic surface mass balance CMIP-5 climate projections Consistent with ice-core data ~5% increase per degree of warming Melting For high scenarios melting will increase, but models shows no negative SMB within the next century. Frieler, Levermann, Clark, van de Broeke, Winkelmann, in prep. Upper limit estimate: < 0.0m

32 Snowfall induces ice-discharge % of additional snowfall is discharged by enhanced driving stress. Winkelmann, Levermann, Martin, Frieler, Nature (2012). Upper limit estimate: < 0.0m

33 A bird s view on the upper limit using maximum sea-level rates Levermann/Vaughan, in the thinking.

34 A bird s view on the upper limit using maximum sea-level rates Sea level (m) Levermann/Vaughan, in the thinking.

35 Greenland surface mass balance from CMIP-5 GrIS SMB anomaly (GT/yr) In 2100, SΜΒ CMIP5 ~ 250±150 GT/yr In 2100, SΜΒ CMIP5 ~ 850±450 GT/yr Cumulated SLR (cm) In 2100, SLR ~ 4 ±2cm In 2100, SLR ~ 9 ±4cm Fettweis et al. TC (2013). Upper limit estimate: < 0.2m

36 Thermal expansion of the ocean Schewe, Levermann, Meinshausen, ESD (2012).

37 Thermal expansion CMIP-5: RCP-8.5 until 2100 compared to pre-industrial NorESM m MRI-CGCM3 0.27m MPI-ESM-MR 0.36m MIROC-ESM-CHEM 0.43m IPSL-CM5A-MR 0.39m INMCM4 0.32m HadGEM3-ES 0.28m Show a sea level decrease in 20th century HadGEM3-CC 0.28m CNRM-CM5 0.27m CanESM2 0.37m AL1 Upper limit estimate: < 0.4m

38 Folie 36 AL1 check Anders Levermann;

39 Ocean-ice Convolution Ocean temperature 4 drainage basins Ice response [7-16] m/a/k Observed basalmelt sensitivity

40 Assembling boundary conditions or including climate uncertainty Scaling of oceanic subsurface temperature change with global mean temperature change for 19 CMIP-5 models Frieler, Meinshausen et al. J. Clim. (2012).

41 Linear response theory on ice Assume that for some time period the convolution of forcing with some linear response function represents the response of your system. Learning period Winkelmann & Levermann Clim. Dyn. 38 (2012), online.

42 Accounting for ice-model uncertainty linear response theory meets SeaRISE model intercomparison Apply a step-function perturbation of 20 m/a additional basal melt. The response of the model represents the time integral of the linear response function. SeaRISE model intercomparison: Bindschadler et al. (2012), JGR, submitted. Nowicki et al. (2012), JGR, submitted. Levermann et al., TCD 6 (2012), 3447 Winkelmann & Levermann Clim. Dyn. 38 (2012), online.

43 Account for different response of different basin SeaRISE model intercomparison: Bindschadler et al. (2012), JGR, submitted. Nowicki et al. (2012), JGR, submitted. Levermann et al., TCD 6 (2012), 3447

44 Response functions of Antarctica models Levermann et al., TCD 6 (2012), 3447

45 The Potsdam Parallel Ice Sheet Model: PISM-PIK Shallow ice model for Antarctica based on PISM Freely evolving grounding line and calving front Fast streams from superposition of SIA & SSA Dynamic calving law based on eigenvalues of strain rate tensor (eigencalving) Ice-ocean frontal boundary condition at calving front. All this is now part of PISM starting from stable 0.4 Winkelmann et al, The Cryosphere 5 (2011), (Model description). Martin et al, The Cryosphere 5 (2011), (Model performance).

46 Antarctic ice-discharge from ice-shelf melting Different basins Levermann et al. TCD 6 (2012), 3447

47 Antarctic ice-discharge from ice-shelf melting Different models Levermann et al. TCD 6 (2012), 3447

48 Antarctic ice-discharge from ice-shelf melting Without time delay Levermann et al. TCD 6 (2012), 3447

49 Antarctic ice-discharge from ice-shelf melting Probability distributions Levermann et al. TCD 6 (2012), 3447

50 Why does snowfall change ice discharge? Snow elevates grounded ice 10x more than floating ice. This increases the driving stress.

51 Comparison with basal ice-shelf melt Basal melt has to be 9x stronger than local snow fall to give the same driving stress increase. But generally

52 The Potsdam Parallel Ice Sheet Model (PISM-PIK) Transition zone representation by SIA-SSA superposition (Bueler & Brown, JGR, 2009) Winkelmann et al. The Cryosphere (2011), Martin et al. The Cryosphere (2011),

53 The Potsdam Parallel Ice Sheet Model (PISM-PIK) Transition zone representation by SIA-SSA superposition (Bueler & Brown, JGR, 2009) Subgrid ice-front parametrization (Albrecht et al., TC, 2010) Eigencalving (Levermann et al., TC, 2012) C = K & ε & ε + ε& ± > 0 Winkelmann et al. The Cryosphere (2011), Martin et al. The Cryosphere (2011),

54 Antarctica s flow field according to PISM-PIK

55 RCP-Scenarios Surface temperature increase downscaled from global mean temperature (Frieler et al. J Clim., 2012) Basal melt from downscaled temperatures and box-model (Olbers & Hellmer, Ocean Dynamics, 2010) Precipitation parameterized as in (Huybrechts & De Wolde, J Clim. 1999) No net mass loss! (Winkelmann et al., TCD. 2012) Winkelmann, Levermann, Martin, Frieler, Nature (2012).

56 Snowfall induces ice-discharge % of additional snowfall is discharged by enhanced driving stress. Winkelmann, Levermann, Martin, Frieler, Nature (2012).

57 Thank you! Ricarda Winkelmann Increased future ice discharge from Antarctica owing to higher snowfall Ricarda Winkelmann, Anders Levermann, Maria A. Martin, Katja Frieler Katja Frieler Maria A. Martin Winkelmann, Levermann, Martin, Frieler, Nature (2012).

58 Antarctica s ice shelf Anders Levermann, Torsten Albrecht, Ricarda Winkelmann Maria A. Martin, Marianne Haseloff, Ian Joughin